对映异构体

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若分子中有一点 P,通过 P 点画任何直线,两端有相同的原子,则点 P 称为分子的对称中 心(用 i 表示)。如:
具有对称中心的化合物和它的镜象是能重合的,因此它不具有手性。 3.对称轴(Cn)
如果穿过分子画一直线,分子以它为轴,旋转一定角度后,可以获得与原来分子相同的形 象,此直线即为对称轴(Cn 表示)。
的手性。(chirality) 具有手性(不能与自身的镜象重叠)的分子叫做手性分子。(chiral molecule) 连有四个各不相同基团的碳原子称为手性碳原子(chiral carbon)用 C*表示。 凡是含有一个手性碳原子的有机化合物分子都具有手性,是手性分子。 凡物质分子在结构上不具有对称面、对称中心或四重更替对称轴,这个物质就具有手性,
同分异构
构造异构 立体异构
碳干异构 位置异构 官能团异构 互变异构
构型异构
构象异构
顺反异构 对映异构
第一节 物质的旋光性
一、平面偏振光和旋光性 光波是一种电磁波,它的振动方向与前进方向垂直。
光源
(1 )光的前进方向与振动方向
光束前进方向
A
B
D'
C
C'
D A' B'
(2)普通光的振动平面
图 6-1 光的传播
CHO
HO
H
CH2OH
CH2OH
H
OH
CHO
OH与H对调一次 CHO与CH2OH对调一次
CHO
HO
H
CH2OH
同一构型
CHO
H
OH
CH2OH
OH与H对调一次
对映体
第四节 含两个手性碳原子化合物的对映异构
一、含两个不相同手性碳原子的化合物 例如:
CH3 CH-Br CH-Br
CH2CH3
COOH CH-OH CH-Cl COOH
4
当分子沿轴旋转 360°/n,得到的构型与原来的分子相重合,这个轴即为该分子的 n 重对 称轴。如:
因此,有无对称轴不能作为判断分子有无手性的标准。 4.更替对称轴(Sn)
如果一个分子沿一根轴旋转了 360°/n 的角度以后,再用一面垂直于该轴的镜象将分子反 射,所得的镜象如能与原物重合,此轴即为该分子的 n 重更替对称轴(用 Sn 表示)。
在光前进的方向上放一个(Nicol)棱晶或人造偏振片,只允许与棱晶晶轴互相平行的平面 上振动的光线透过棱晶,而在其它平面上振动的光线则被挡住。这种只在一个平面上振动的光 称为平面偏振光,简称偏振光或偏光。
晶轴
A
B
D'
C
C'
D
B'
A'
普通光
Nicol棱晶
A
A' 平面偏振光
2.物质的旋光性
能使平面偏振光振动平面旋转的物质称为物质的旋光性,具有旋光性的物质称为旋光性物
1874 年随着碳原子四面体学说的提出,Van't Hoff 指出,如果一个碳原子上连有四个不同 基团,这四个基团在碳原子周围可以有良种不同的排列形式,即两种不同的四面体空间构型。 它们互为镜像,和左右手之间的关系一样,外形相似但不能重合。
3
二、手性和对称因素 物质分子互为实物和镜象关系(象左手和右手一样)彼此不能完全重叠的特征,称为分子
上面公式即可用来计算物质的比旋光度,也可用以测定物质的浓度或鉴定物质的纯度。
3.产生旋光性的原因
我们知道光是一种电磁波,平面偏振光也是电磁波,它可以看作是由两种圆偏振光合并组
成的。它们都围绕着光前进方向的轴呈螺旋形向前传播,其中一种圆偏振光呈右螺旋行,称为
右旋圆偏光,而另一种呈左螺旋形称为左旋圆偏光。
关系的立体异构体,称为对映异构体(简称为对映体)。 对映异构体都有旋光性,其中一个是左旋的,一个是右旋的。所以对映异构体又称为旋光
异构体。 2.对映体之间的异同点 (1)、物理性质和化学性质一般都相同,比旋光度的数值相等,仅旋光方向相反 P128。 (2)、在手性环境条件下,对映体会表现出某些不同的性质,如反应速度有差异,生理作
(1)、立体结构式
COOH
COOH
COOH
H C OH
C OH
H
OH
CH3
CH3
H
CH3
楔形式
透视式
乳酸
(2)、Fischer 投影式
优点: 形象生动,一目了然 缺点: 书写不方便
为了便于书写和进行比较,对映体的构型常用费歇尔投影式表示:
COOH
COOH
H
OH
COOH
HO
H
OH H
CH3
CH3
CH3
用的不同等。
二、外消旋体
等量的左旋体和右旋体的混合物称为外消旋体,一般用(±)来表示。
外消旋体与对映体的比较(以乳酸为例):
旋光性
物理性质
化学性质
生理作用
外消旋体 不旋光
mp 18℃
基本相同
各自发挥其左右
对映体
旋光
mp 53℃
基本相同
旋体的生理功能
三、构型表示方法――费歇尔投影式
1.构型的表示方法
对映体的构型可用立体结构(楔形式和透视式)和费歇尔(E·Fischer)投影式表示,
这两种光互为不能重叠的镜象关系。 当偏光经过一个对称的区域时,这两种圆偏光受到分子的阻碍相等,所以它们以相同的速度经 过这个区域,因此,合成光仍保持原来偏光的振动平面,不表现出旋光性。
2
一般规定若先沿 OE 方向传播,从 E 点向 O 点看过去,螺旋前进是顺时针时,称为右圆偏振 光;反之,为左圆偏振光。
倘若偏光遇到的是手性分子[手性分子在左、右圆偏振光中的折射率不同]则左、右圆偏振 光通过手性分子的速度不同,因而由它们叠加产生的平面偏振光的振动方向也会改变。
平面偏振光通过光学活性介质产生的旋光。 由上述讨论可知,旋光产生的根本原因是因为入射光的左、右圆偏振光在手性介质中的传 播速度不同。 如:右旋圆偏光对右旋乳酸的折射率为 1.10011,而左旋圆偏光对右旋乳酸的折射率为 1.10017
CH3 CH-OH CH-C6H5 CH3
2,3-二溴戊烷
2-羟基-3-氯丁二酸 (氯代苹果酸)
以氯代苹果酸为例来讨论
3-苯基-2-丁醇
1. 对映异构体的数目 其 Fischer 投影式如下:
COOH
H
OH
COOH
HO
H
COOH
H
OH
H
Cl
Cl
H
Cl
H
COOH
HO
H
H
wk.baidu.com
Cl
COOH
COOH
(1) 对映体 (2)
第五章 对映异构
学习要求: 1. 掌握立体异构、光学异构、对称因素(主要指对称面、对称中心)、手性碳原子、手性分子、 对映体、非对映体、外消旋体、内消旋体等基本概念。 2. 掌握书写费歇尔投影式的方法。 3. 掌握构型的 R、S 标记法。 4. 掌握判断分子手性的方法。 5. 初步掌握亲电加成反应的立体化学。 同分异构现象在有机化学中极为普遍。同分异构现象可以归纳如下:
如果旋转的角度为 90°(360°/4),就称为四重更替对称轴(S4)。 如:
具有四重更替对称轴。具有四重更替对称轴的化合物和镜象能够重叠,因此不具旋光性。 在一般情况下,四重更替对称轴往往和对称面或对称中心是同时存在的。上述化合物就同 时存在两个对称面,而且在化合物分子中只具有四重更替对称轴的是极少量的。因此要判断一 个化合物的分子有没有手性,一般只要考虑它有没有对称面和对称中心就可以了。 有对称中心的分子没有手性。
它和镜象互为对映异构,具有旋光性。 1.对称面(σ):
假如有一个平面可以把分子分割成两部分,而一部分正好是另一部分的镜象,这个平面就 是分子的对称面(σ)。 如:
分子中有对称面,它和它的镜象就能够重合,分子就没有手性,是非手性分子(achiral molecule),因而它没有对映异构体和旋光性。 2.对称中心(i)
第二节 对映异构现象与分子结构的关系
一、对映异构现象的发现 早在十九世纪就发现许多天然的有机化合物如樟脑、酒石酸等晶体有旋光性,而且即使溶
解成溶液仍具有旋光性,这说明它们的旋光性不仅与晶体有关,而且与分子结构有关。 1848 年巴斯德[L.Pasteur (1822-1895)]在研究酒石酸钠铵的晶体时,发现无旋光性的酒
若所测物质为纯液体,计算比旋光度时,只要把公式中的 C 换成液体的密度 d 即可。
最常用所的用光溶源剂是不钠同光也(会D影)响,物λ=质58的9.旋3n光m,度所。测因得此的在旋不光用度水记为为溶剂[α时]Dt,需注明溶剂的名称,例如,
右旋的酒石酸在 5%的乙醇中其比旋光度为:
= [+α3].72D09 (乙醇,5%)。
若盛液管中为旋光性物质,当偏光透过该物质时会使偏光向左或右旋转一定的角度,如要使 旋转一定的角度后的偏光能透过检偏镜光栅,则必须将检偏镜旋转一定的角度,目镜处视野才 明亮,测其旋转的角度即为该物质的旋光度α。如下图所示
A
A
B
D'
C
D
B'
A'
A'
起偏镜
乳酸
旋光性物质 盛液管
α 目镜(亮)
检偏镜
2.比旋光度 旋光性物质的旋光度的大小决定于该物质的分子结构,并与测定时溶液的浓度、盛液的长
5
物质分子在结构上具有对称面或对称中心的,就无手性,因而没有旋光性。 物质分子在结构上即无对称面,也无对称中心的,就具有手性,因而有旋光性。
第三节 含一个手性碳原子化合物的对映异构
一、对映体 1.对映体——互为物体与镜象关系的立体异构体。 含有一个手性碳原子的化合物一定是手性分子,含有两种不同的构型,是互为物体与镜象
质(也称为光活性物质)。
A
B
D'
A
乙醇
C
C'
D
B'
A'
不旋光物质 A'
A
B
D'
C
C'
D
B'
A'
A
乳酸
α
1
旋光性物质 A'
能使偏振光振动平面向右旋转的物质称右旋体,能使偏振光振动平面向左旋转的物质称左 旋体,使偏振光振动平面旋转的角度称为旋光度,用α表示。
二、旋光仪和比旋光度 1.旋光仪
测定化合物的旋光度是用旋光仪,旋光仪主要部分是有两个尼可尔棱晶(起偏棱晶和检偏 棱晶),一个盛液管和一个刻度盘组织装而成。
石酸钠铵是两种互为镜象不同的晶体的混合物。他用一只放大镜和一把镊子,细心地、辛苦地、 把混合物分成两小堆:一小堆是右旋的晶体,另一小堆是左旋的晶体,很象是在柜台上分开乱 堆在一起的右手套和左手套一样。虽然原先的混合物是没有旋光性的,现在各堆晶体溶于水以 后都是有旋光性的!还有,两个溶液的比旋光度完全相等,但旋光方向相反。就是说,一个溶 液使平面偏振光向右旋转,而另一个溶液以相同的度数使平面偏振光向左旋转。这两个物质的 其他性质都是相同的。
度、测定温度、所用光源波长等因素有关。为了比较各种不同旋光性物质的旋光度的大小,一 般用比旋光度来表示。比旋光度与从旋光仪中读到的旋光度关系如下。
测定温度
旋光度(旋光仪上的读数)

]t
λ
=
比选光度
波长
α Lx C
溶液的浓度(g/ml)
(钠光D) 盛液长度(分米dm)
当物质溶液的浓度为 1g/ml,盛液管的长度为 1 分米时,所测物质的旋光度即为比旋光度。
COOH
COOH
(3)
对映体 (4)
m.p 173℃

]
20 D
-7.1°
173℃ +7.1°
(± ) 外消旋体 m.p7 145℃
167℃
167℃
-9.3°
+9.3°
外消旋体 m.p 157℃
非对映体
含 n 个不同手性碳原子的化合物,对映体的数目有 2 n 个,外消旋体的数目 2 n-1 个。 2. 非对映体 不呈物体与镜象关系的立体异构体叫做非对映体。分子中有两个以上手性中心时,就有非 对映异构现象。 非对映异构体的特征: 1° 物理性质不同(熔点、沸点、溶解度等)。 2° 比旋光度不同。 3° 旋光方向可能相同也可能不同。 4° 化学性质相似,但反应速度有差异。
COOH
H
OH
在纸平面
CH3 180°
HO
H
CH3
COOH
(2)、任意固定一个基团不动,依次顺时针或反时针调换另三个基团的位置,不会改变原构
型。
CH3
H
C2H5
C2H5
H
OH = C2H5
OH = HO
H = H3C
OH
C2H5
CH3
CH
H
(3)、对调任意两个基团的位置,对调偶数次构型不变,对调奇数次则为原构型的对映体。例 如:
由于旋光度的差异是在溶液中观察到的,Pasteur 推断这不是晶体的特性而是分子的特性。 (他提出,构成晶体的分子是互为镜象的,正像这两种晶体本身一样。他提议,存在着这样的 异构体,即其结构的不同仅仅是在于互为镜象,性质的不同也仅仅是在于旋转偏振光的方向不 同)。指出,对映异构现象是由于分子中的原子在空间的不同排列所引起的。Pasteur 的这些 观点,为对映异构现象的研究奠定了理论基础。
投影原则:
乳酸对映体的费歇尔投影式
1° 横、竖两条直线的交叉点代表手性碳原子,位于纸平面。
2° 横线表示与 C*相连的两个键指向纸平面的前面,竖线表示指向纸平面的后面。
3° 将含有碳原子的基团写在竖线上,编号最小的碳原子写在竖线上端。
使用费歇尔投影式应注意的问题:
6
a 基团的位置关系是“横前竖后” b 不能离开纸平面翻转 180°;也不能在纸平面上旋转 90°或 270°与原构型相比。 C 将投影式在纸平面上旋转 180°,仍为原构型。 2.判断不同投影式是否同一构型的方法: (1)、 将投影式在纸平面上旋转 180°,仍为原构型。
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